庫(kù)區(qū)陡峻土質(zhì)岸坡路基塌岸預(yù)測(cè)

王 哲

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 道路交通設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430063）

0 引言

西部山區(qū)深切峽谷內(nèi)水利資源豐富，近10年來(lái)，水電站開(kāi)發(fā)建設(shè)速度加快，庫(kù)區(qū)新建或改建公路已成為地方路網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分，建設(shè)規(guī)模和難度較以往有很大程度提高。相對(duì)于一般山區(qū)公路，庫(kù)區(qū)復(fù)建公路主要特點(diǎn)有：1、地形條件復(fù)雜。由于大壩建設(shè)選址的需要，庫(kù)區(qū)一般多位于深切峽谷內(nèi)，地形陡峻，施工難度大。2、道路線型的限制因素較多。擬建公路的設(shè)計(jì)高程受蓄水位的控制，為便于施工，路面設(shè)計(jì)高程與最高蓄水位高差一般為10～30m，線路縱坡的調(diào)整余地較小，平面參數(shù)取決于等高線走勢(shì)，平面線型依山就勢(shì)布置，以避免深切路塹、大規(guī)模傍山隧道的增加，諸多因素限制而缺少具有比較價(jià)值的路線走向方案。3、地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期次繁多、尤其是重力地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育，崩塌、滑坡、泥石流頻繁。其中陡峻土質(zhì)岸坡的路基塌岸現(xiàn)象就是極具代表性的庫(kù)區(qū)道路工程地質(zhì)問(wèn)題之一。這類陡峻土質(zhì)岸坡一般為坡積、崩塌等成因，由硬質(zhì)巖碎石、角礫等粗粒物質(zhì)堆積而成，其自然坡角往往接近于臨界穩(wěn)定坡度，坡面幾何形態(tài)平直，無(wú)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，對(duì)于這類土質(zhì)岸坡的塌岸問(wèn)題，常規(guī)圖解法的預(yù)測(cè)結(jié)果往往與實(shí)際情況間存在較大誤差。

1 常規(guī)圖解法［1-3］

水庫(kù)塌岸的常見(jiàn)模式有沖蝕坍塌型和滑移型兩類。沖蝕坍塌型受作用于波浪和岸流：波浪產(chǎn)生巨大沖擊力撞擊岸坡，使其遭受破壞而后退，而岸流引起的水流帶動(dòng)沉積物移動(dòng)，使邊岸遭受掏蝕崩落，沖蝕坍塌型一般發(fā)生于天然狀況下處于穩(wěn)定狀態(tài)的土質(zhì)岸坡?；菩退妒侵柑烊粻顩r下處于臨界穩(wěn)定的庫(kù)岸在地下水和地表水動(dòng)力作用下，沿某一相對(duì)軟弱層帶發(fā)生大規(guī)模的整體滑移破壞，這類塌岸的內(nèi)因在于其利于滑移的岸坡結(jié)構(gòu)，水流對(duì)坡體的軟化、水位變化時(shí)滲透力的作用誘發(fā)了整體滑移，多發(fā)生于已經(jīng)存在的古滑坡或處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)的土質(zhì)岸坡。兩類塌岸的成因和計(jì)算分析模式差別較大。本文中的理論方法和預(yù)測(cè)實(shí)例均只針對(duì)第一類塌岸，即沖蝕坍塌型。

圖1 “圖解法”預(yù)測(cè)塌岸Fig.1 Diagrammatizing embankment failure

適用于沖蝕坍塌型塌岸的常規(guī)圖解法如圖1。α為土層水下磨蝕角（°），β為天然狀況下考慮內(nèi)聚力的土層綜合內(nèi)摩擦角（°），θ為自然岸坡坡角（°），hp為波浪影響深度（m），hB為浪爬高度（m），hs為最高水位以上塌岸高度（m），A為水位變幅帶高度（m），S為最終塌岸寬度（m）。

由圖1可見(jiàn)，圖解法適用于前陡后緩的自然岸坡。若自然岸坡剖面形態(tài)順直，且坡度接近于天然休止角，預(yù)測(cè)塌岸寬度與現(xiàn)實(shí)情況相去甚遠(yuǎn)，甚至出現(xiàn)圖解極難收斂的情況（圖2）。

2 考慮土體膠結(jié)的圖解法

根據(jù)類比調(diào)查，土質(zhì)岸坡塌岸的后緣均存在一定高度的垂直陡壁。由土力學(xué)理論可知，考慮內(nèi)聚力的豎直土坡的臨界高度：

式中：h0——豎直土坡臨界高度（m）；

c——土的內(nèi)聚力（kN）；

γ——土的重度（kN/m3）；

Ka——主動(dòng)土壓力系數(shù)。

由于塌岸后緣臨界高度陡壁的客觀存在，在原始地面線與塌岸線的高差等于臨界土坡高度處，塌岸即終止，實(shí)際塌岸范圍較常規(guī)圖解法更小。如圖2～圖3，天然休止角越趨近于原始地面坡度，常規(guī)圖解法解得的塌岸寬度S1和考慮土體膠結(jié)的塌岸寬度S2差值越大。

圖2 常規(guī)圖解法：S1難收斂Fig.2 Ordinary diagramm atizing-No convergence for S1

根據(jù)圖4所示幾何關(guān)系：可求得考慮土體膠結(jié)的情況下，道路中線離塌岸邊緣的寬度S2，及中線處的塌岸深度h。

圖3 考慮土體膠結(jié)：S2＜＜S1Fig.3 Consolidation diagramm atizing-S2＜ ＜S1

此時(shí)，h取值分兩種情況，

當(dāng)S2≥0時(shí)，

式中：a——中線處地面高程與最高運(yùn)行水位的高差（m）；

其他符號(hào)意義同前。

3 庫(kù)區(qū)陡峻土質(zhì)岸坡塌岸預(yù)測(cè)實(shí)例

3.1 工程概況

西南山區(qū)某水電站庫(kù)區(qū)淹沒(méi)復(fù)建公路，在K23+500～K24+150段以路基通過(guò)。該路段為厚層坡洪堆積體，最大厚度約30～40m。該段堆積體分布于大渡河右岸約1563m高程以上，沿大渡河方向展布寬度約650m，順坡縱向長(zhǎng)度約430～500m。堆積體自然坡度平均約為35°，坡面較為平整，坡度變化不大。鉆孔揭示，典型斷面處堆積體厚度約33m。由于水庫(kù)蓄水后將淹沒(méi)至路線設(shè)計(jì)高程以下約20m處，由抗沖刷能力較弱的土石構(gòu)成的岸坡在波浪掏蝕作用下，其穩(wěn)定性會(huì)受到影響，有可能產(chǎn)生漸進(jìn)性的坍塌破壞，對(duì)公路安全運(yùn)營(yíng)造成威脅。

圖4 順直岸坡路基塌岸預(yù)測(cè)圖示Fig.4 Diagram of embankment failure in straight slope

3.2 塌岸預(yù)測(cè)

鉆孔揭示，堆積體的物質(zhì)組成以混合巖質(zhì)的碎石土為主，與礫石土形成粗、細(xì)相間的不等厚互層韻律，由于堆積年代久遠(yuǎn)，碎石間存在一定程度膠結(jié)（圖5，圖6）。

圖5 工程地質(zhì)平面圖Fig.5 Geologic plan

根據(jù)調(diào)查，并類比近似地質(zhì)條件的庫(kù)岸，綜合確定各計(jì)算參數(shù)：垂直陡坎高度h0取10.0m，天然休止角β取39°，堆積體的水下磨蝕角α約比天然休止角小13°，取26°。沖刷深度hp取2.0m，浪爬高度hB取1.5m。

圖6 典型（Ⅱ －Ⅱ’）剖面圖Fig.6 Typic II－II’section

其中，浪爬高度計(jì)算如下：

式中：K——跟岸坡表面糙度有關(guān)的系數(shù)，礫石質(zhì)岸坡取0.85～0.90；

hB——浪爬高度（m）；

hw——浪高（m）；

W——風(fēng)速（m/s）；

L——風(fēng)的吹程（km）。

經(jīng)計(jì)算，在無(wú)治理措施的情況下，常規(guī)圖解法計(jì)算出的塌岸寬度約176.4m，考慮土體膠結(jié)的圖解法解算出塌岸趨于穩(wěn)定的邊界在道路中線內(nèi)側(cè)85.2m，比常規(guī)圖解法求解小91.2m，中線處的塌岸深度18.2m，根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查，改進(jìn)的圖解法更為符合塌岸的真實(shí)情況。

3.3 塌岸因素敏感性分析

塌岸的范圍主要決定于天然休止角、水下磨蝕角與水位變幅，分別對(duì)各因素的敏感性分析如下：

由表1可見(jiàn)，（1）不同磨蝕角組合的情況下，普通圖解法求解塌岸寬度為50～1090m，考慮土體膠結(jié)的圖解法求解的塌岸寬度均遠(yuǎn)小于普通圖解法，更為貼合實(shí)際情況；（2）由于順直岸坡坡面無(wú)平緩臺(tái)階，中線離塌岸邊緣的寬度S2受天然休止角與水下磨蝕角的影響較大，塌岸寬度與自然坡度和天然休止角的差值呈冪指數(shù)關(guān)系增加。

天然休止角與距中線塌岸寬度、中線塌岸深度的相關(guān)曲線相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖7、8。

水下磨蝕角與距中線塌岸寬度、中線塌岸深度相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖9、10。

表1 不同 β-α 組合預(yù)測(cè)情況（θ =35°，β-α =13°）Table 1 Prediction of differentβ-α group（θ =35°，β-α =13°）

圖7 天然休止角－距中線塌岸寬度（α=26°）Fig.7 The relationship betweenβand S2

由圖7～圖10可見(jiàn)：距中線塌岸寬度S2與天然休止角和水下磨蝕角密切相關(guān)，當(dāng)天然休止角與坡角接近（26°）時(shí)，天然休止角增加1°，可使塌岸寬度減小約172m，而天然休止角與自然坡角的差值越大，塌岸寬度受天然休止角的影響逐漸減??；塌岸寬度與水下磨蝕角呈近線性關(guān)系，水下磨蝕角每提高1°，塌岸寬度減小約30m，當(dāng)水下磨蝕角為30°時(shí)，塌岸最終范圍將在路基外側(cè)；中線塌岸深度h受天然休止角的影響極小，本例中中線處于水下塌岸線范圍，所以天然休止角無(wú)論取何值，塌岸深度均保持不變；塌岸深度主要受水下磨蝕角控制，水下磨蝕角每提高1°，塌岸深度減小約2m。因此，加固措施中，提高水位變幅帶內(nèi)土體的內(nèi)摩擦角，是一種可以嘗試的治理思路。

圖8 天然休止角－中線塌岸深度（α=26°）Fig.8 The relationship betweenβ and h

圖9 水下磨蝕角－距中線塌岸寬度（φ=39°）Fig.9 The relationship betweenα and S2

圖10 水下磨蝕角－中線塌岸深度（φ=39°）Fig.10 The relationship betweenαand h

水位變幅與距中線塌岸寬度、中線塌岸深度相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖11、12?？梢钥闯?，塌岸寬度隨水位變幅的減小線性減小，本例中，水位若水位變幅＜20m時(shí)，最終塌岸范圍在路基外側(cè)，將不影響道路安全。通過(guò)合理的庫(kù)水運(yùn)行調(diào)度，可以一定程度減小路基塌岸的范圍。

圖11 水位變幅－距中線塌岸寬度（φ =39°，α =26°）Fig.11 The relationship betw een A and S2

圖12 水位變幅－中線塌岸深度（φ =39°，α =26°）Fig.12 The relationship between A and h

本實(shí)例中，中線地面高程和最高運(yùn)行水位高差，與距中線塌岸寬度、中線塌岸深度相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖13、14?？梢钥闯觯秾挾仁苤芯€塌岸深度與中線地面高程和最高運(yùn)行水位高差影響不大，亦即，在一定范圍內(nèi)抬高公路線位，對(duì)于控制路基塌岸的效果并不明顯。

4 結(jié)論

山區(qū)順直陡峻岸坡塌岸采用考慮土體內(nèi)聚力的圖解法較普通圖解法的塌岸預(yù)測(cè)寬度大大減小，有效避免解算難以收斂的問(wèn)題，更為符合塌岸的真實(shí)形態(tài)。通過(guò)預(yù)測(cè)實(shí)例的分析發(fā)現(xiàn)：天然休止角的提高可大幅減小塌岸范圍；通過(guò)灌漿等辦法對(duì)岸坡進(jìn)行處理使水下磨蝕角提高，則可有效減小塌岸深度；合理調(diào)節(jié)運(yùn)行水位變幅，對(duì)控制塌岸范圍和深度較為理想；而通過(guò)小范圍抬高公路線位來(lái)控制塌岸的效果并不明顯。對(duì)于陡峻岸坡路基塌岸的治理應(yīng)在認(rèn)真分析塌岸影響因素后，靈活而有針對(duì)性地采取最為經(jīng)濟(jì)有效的措施。

圖13 中線處地面高程與最高水位高差－距中線塌岸寬度（φ=39°，α =26°）Fig.13 The relationship between a and S2

圖14 中線處地面高程與最高水位高差－中線塌岸深度（φ =39°，α =26°）Fig.14 The relationship betweenαand h

［1］張倬元，王士天，王蘭生.工程地質(zhì)分析原理［M］.北京：地質(zhì)出版社，1993.ZHANG Zhuoyuan，WANG Shitian，WANG Lansheng.The Theory of Engineering Geological Analysis［M］.Beijing：China Land Press，1993.

［2］王躍敏，唐敬華，凌建明.水庫(kù)坍岸預(yù)測(cè)方法研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2000，22（5）：569-571.WANG Yuem in，TANG Jinghua，LING Jianming.Study on prediction method for reservoir bank caving，Chinese Jounal of Geotechnical Engineering，2000，22（5）：569-571.

［3］許強(qiáng)，劉天翔，湯明高，等.三峽庫(kù)區(qū)塌岸預(yù)測(cè)新方法——岸坡結(jié)構(gòu)法［J］.水文地質(zhì)與工程地質(zhì)，2007，34（3）：110-115.XU Qiang，LIU Tianxiang，TANG Minggao，et al.A new method of reservoir bank-collapse prediction in the Three Gorges reservoir——River Bank Structure Method，Hydrogeology＆ Engineering Geology，2007，34（3）：110-115.

［4］王廣德，葛華，劉漢超，等.重慶市萬(wàn)州區(qū)塌岸模式及影響因素分析［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2008，19（3）：148-151.WAN Guangde，GE Hua，LIU HanChao，et al.The mode and Influence factors of Bank Collapse Occurred in Wanzhou Chongqing［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2008，19（3）：148-151.

［5］滿作武，葛洲壩水庫(kù)坍岸特征及規(guī)律［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，1993，4（1）：65-70.MAn Zuowu.Feature and laws of bank caving in gezhouba reservoir［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，1993，4（1）：65-70.

［6］吉鋒，葛華，劉漢超，等.三峽庫(kù)區(qū)重慶市萬(wàn)州區(qū)塌岸現(xiàn)狀調(diào)查［J］.山地學(xué)報(bào)，2007，25（2）：190-196.JI Feng，GE Hua，LIU Hanchao，et al.The geological survey on existing state of reservoir bank collapse occurred in Wanzhou，Chongqing［J］.Journal of Mountain Science，2007，25（2）：190-196.